En couplant des mesures de photoémission résolue en angle (nano-ARPES) combinées avec des calculs théoriques, des physiciens du Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N, Université Paris-Saclay/CNRS), en collaboration avec des chercheurs de Hunan University (China) ont démontré que les valeurs élevées de photoluminescence obtenue sur des bicouches de WS0.4Se1.6 sont dues à la proximité de transitions optiques directes et indirectes.
Dans les semi-conducteurs de dichalogénures de métaux de transition (TMDs), la transition de bande interdite indirecte vers directe se produit traditionnellement lorsque l'épaisseur du matériau se réduit à une seule monocouche. Cette transition s'accompagne d'une augmentation importante du signal de photoluminescence (PL), typiquement un ordre de grandeur. De nombreuses études sur les TMDs ont révélé des augmentations similaires lorsque l'épaisseur de ces matériaux est réduite à une seule monocouche. Nous montrons que cette propriété soi-disant générale des TMDs ne s'applique pas dans tous les cas. En effet, pour WS2(1−x)Se2x (x = 0,8) nous observons une intensité PL élevée pour le domaine bicouche, seulement deux fois moindre que celle des domaines monocouche. L'évolution de la bande interdite optique des alliages WS2(1−x) Se2x mono- , bi et tri-couches a été étudiée à l'aide de mesures PL et ARPES. Par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), nous démontrons que cette valeur élevée d'intensité PL pour la bicouche est due à la proximité des transitions optiques directes et indirectes. Nos résultats confirment la tendance classique avec la présence d’un gap direct pour les alliages monocouches et d'un gap indirect lorsque le nombre de couche augmente. Le cas de bicouche WS2(1−x) Se2x est à la limite et présente une superposition de transitions optiques directes et indirectes. Cette robustesse de l'intensité PL peut faciliter l'intégration de ces matériaux car elle est plus tolérante aux fluctuations d'épaisseur.
Le groupe mat2D au C2N (https://mat2d.c2n.universite-paris-saclay.fr) est expert dans les propriétés électroniques des matériaux 2D (Graphène, MX et MX2) Nos activités se concentrent sur la conception, la fabrication et les propriétés électroniques de nouvelles hétérostructures hybrides à base de matériaux bidimensionnels, en vue de la réalisation d'une nouvelle génération de dispositifs nanoélectroniques. Cette publication est faite en collaboration avec l’université de Hunan University (China).
References
Indirect to direct band gap crossover in two-dimensional WS2(1−x)Se2x alloys
Cyrine Ernandes1, Lama Khalil1, Hela Almabrouk1, Debora Pierucci2, Biyuan Zheng3, José Avila4, Pavel Dudin4, Julien Chaste1, Fabrice Oehler1, Marco Pala1, Federico Bisti2, Thibault Brulé5, Emmanuel Lhuillier6, Anlian Pan3, and Abdelkarim Ouerghi1;
npj 2D Materials and Applications 5, 7 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41699-020-00187-9
Affiliations
1Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, 91120, Palaiseau,
2CELLS - ALBA Synchrotron Radiation Facility, Carrer de la Llum 2-26, 08290 Cerdanyola del Valles, Barcelona, Spain
3Key Laboratory for Micro-Nano Physics and Technology of Hunan Province, State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics, and College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha, 410082 Hunan, China
4Synchrotron-SOLEIL, Université Paris-Saclay, Saint-Aubin, BP48, F91192 Gif sur Yvette, France
5HORIBA France SAS, Passage Jobin Yvon, Avenue de la Vauve, 91120 Palaiseau, France
6Sorbonne Université, CNRS, Institut des NanoSciences de Paris (INSP) F-75005 Paris, France
FIGURE : Spectres des dérivées seconde d'images nano-ARPES acquises sur (a) 1 ML, (b) 2 ML et (c) 3 ML WS2(1−x) Se2x (x = 0.8) le long de la direction Γ-K et prises à une énergie 100eV. La structure de bande obtenue par DFT est indiquée par les lignes pointillées bleues.
